虹湾地区高分辨率成像轨控方案

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1、2012年12月中国空间科学技术47第6期ChineseSpaceScienceandTechn0109y虹湾地区高分辨率成像轨控方案郑爱武1’2心刘勇2’3周建平1(1北京航空航天大学，北京100191)(2航天飞行动力学技术重点实验室，北京100094)(3北京航天飞行控制中心，北京100094)摘要为了获取分辨率更高的全月面图像数据，并对嫦娥三号任务预选着落区之一的虹湾地区进行高分辨率成像，“嫦娥二号”卫星提高了CCD立体相机的分辨率，并通过降轨机动进一步降低轨道高度，在远月点高度100km和近月点高度15km的椭圆轨道(简称试验轨道)的近月点附近对虹湾地区进行高分辨率成像

2、。由于卫星能源的限制，卫星在该轨道上不能长时间停留。为了保证成像质量，要求太阳高度角必须高于15。。另外，必须有足够的测控弧段来满足测定轨道精度要求。这些约束条件都对该轨道的控制实施方案设计提出了很高的要求。文章结合嫦娥一号任务的工程实践经验，基于中国自身的测控资源和测控条件，对试验轨道进行了特性分析，根据成像约束条件和测定轨要求，给出了试验轨道的控制计算方案，提出了固定开机时刻和燃料最优两种计算方法解算控制参数。计算结果和误差分析结果表明卫星在试验轨道内满足安全和成像要求，确认了该方案的正确性和可行性。关键词深空探测轨道控制登月着陆区高分辨率成像“嫦娥二号”卫星DOI：10．3

3、780／j．issn．1000一758X．2012．06．0071引言为了阿波罗计划的实现，美国先后发射了三种系列的月球探测器——徘徊者号(Ranger)、月球轨道器号(LunarOrbiter)和月球勘测者号(surveyor)。徘徊者号探测器的主要目的是为了研究整个月球的外观，测量月球附近的辐射和星际等离子体等，检测月球轨道器，以便为“阿波罗”登月做准备。由于徘徊者号探测器屡屡失败，1965年5月一1968年1月，美国又发射了7颗勘测者号探测器，着陆于赤道区附近，继续探测月球并为“阿波罗”载人登月选择着陆点¨。]。同一时期，美国启动了月球轨道器计划，月球轨道器对月面99％的区

4、域进行了探测，拍摄了大量高分辨率照片，选出了10个可供“阿波罗”飞船着陆的候选登月点，同时还获得许多月球表面的放射性、矿物含量和月球引力场等有用数据H。5J。近期(2005—2015年)中国的月球探测将以不载人月球探测为宗旨，分为“绕、落、回”三个发展阶段[6]。目前第一阶段的目标已经实现，第二阶段将开展月面软着陆器探测与月球车月面巡视勘察，这一阶段的任务包括嫦娥三号和嫦娥四号任务[7喝]。虽然嫦娥一号任务取得了成功，获取了全月的图像数据，不过分辨率并不高，无法为嫦娥三号任务实施软着陆提供技术依据。“嫦娥二号”卫星作为探月工程二期的技术试验星，要以验证二期的工程技术为重点，因此嫦

5、娥二号任务将搭载的CCD立体相机的分辨率由120m提高到了7m，目标就是获取分辨率更高的全月面图像数据，并在卫星进入环月100km圆轨道后选择合适时机变轨成远月点高度100km，近月点高度15km的椭国家自然科学基金(11173005>资助项目收稿日期：2012一02—23。收修改稿日期：201z一03—29!§±垦窒囹登兰垫查!!!!生!!旦圆轨道(下面简称试验轨道，用100km／15km来表示)，并在近月点处对嫦娥三号任务预选的着落区之一的虹湾地区进行高分辨率成像。由于卫星能源的限制，卫星在该轨道上不能长时间停留，成像条件和测定轨精度要求等限制条件也对该轨道的控制实施方案设计

6、提出了很高的要求。为了实现在虹湾地区高分辨率成像的目标，本文结合中国自身的测控资源和测控条件，基于标称轨道对试验轨道进行了特性分析，根据成像的约束条件和测定轨要求，选取合适的降轨点和升轨点，给出了试验轨道控制的计算方案，并通过卫星的安全性分析，确认了该方案的正确性和可行性。2试验轨道控制方案试验轨道是特指用于虹湾地区高分辨率成像的100km／15km椭圆轨道。“嫦娥二号”卫星在100km环月圆极轨道上工作一段时间后，在卫星即将经过虹湾地区上空时，择机从100km／100km的圆轨道降轨到100km／15km的椭圆轨道。随后在近月点附近对成像区域进行高分辨率成像，结束后择机进行升轨

7、机动，重新回到100km／100km的工作轨道。2．1试验轨道工作内容和成像区域根据嫦娥二号任务要求，卫星需在试验轨道上完成如下工作内容：降轨机动、卫星姿态调整、CCD相机试成像、生成并注入成像数据、设定相机成像参数、降落相机拍图试验、虹湾地区正式成像、X频段测控技术试验、升轨机动，以及立体相机／降落相机图像数据下传等工作。同时地面还需要完成地面测定轨，成像数据生成，轨道控制策略计算等工作。虹湾地区位于月球的北半球中纬度地区，南北长约100km，东西宽约350km，地形较为平坦，